WGBS在揭示主動DNA去甲基化缺失植物的DNA甲基化跨代增加中的應用
DNA甲基化是一種在植物和哺乳動物中保守的表觀遺傳標記，對生長、發育、疾病和壽命具有重要作用。植物和動物基因組中DNA甲基化的主動獲得或丟失，以及DNA甲基化水平變化可能導致減數分裂穩定的表觀遺傳變異，這些變異產生可遺傳的表型多樣性。盡管對跨代表觀遺傳已經了解很多，但目前尚不清楚跨代表觀遺傳穩定性是否可能受到哪些細胞因子的調控。
2024年5月20日，南方科技大學朱健康院士團隊在《PNAS》 (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)雜志上發表題為“Transgenerational increases in DNA methylation in Arabidopsis plants defective in active DNA demethylation”的研究成果，該研究以模式生物擬南芥為研究對象，通過WGBS等分析揭示了DNA去甲基化酶ROS1突變導致基因組水平上DNA甲基化水平逐代升高。研究表明了ROS1在阻止隨機形成的DNA甲基化的跨代遺傳、維持表觀基因組穩定中發揮重要監控功能。本研究對理解基因組DNA甲基化的進化以及生存環境如何通過表觀遺傳影響后代具有重要意義。
標題：Transgenerational increases in DNA methylation in Arabidopsis plants defective in active DNA demethylation（在主動DNA去甲基化缺陷的擬南芥植物中，DNA甲基化的跨代增加）
雜志：PNAS
影響因子：IF 9.4 /Q1
技術平臺：WGBS
研究摘要：
本研究分析了從單粒種子后代連續繁殖10代（G1-G10）的野生型和ros1突變體擬南芥植物在正常和鹽脅迫兩種生長條件下主動發生的DNA甲基化跨代變化。分析結果揭示了主動DNA去甲基化功能缺失的ros1突變體顯示出增加的跨代表觀遺傳突變率。與野生型相比，ros1突變體在個別胞嘧啶上獲得的甲基化比丟失的甲基化要多，而野生型則在主動獲得和丟失的甲基化胞嘧啶數量上相似。同樣的，跨代表觀遺傳差異甲基化區域在ros1突變體中也表現出高甲基化。本研究結果揭示了ROS1 DNA去甲基化酶對跨代表觀遺傳穩定性的遺傳貢獻，并表明ROS1可能具有防止跨代DNA甲基化增加的意外監控功能。
研究方法：
樣本選擇：Col-0 野生型和 ros1 突變體，正常和鹽脅迫條件下從單粒擬南芥種子連續繁殖10代（G1-G10），每一代創建5個獨立株系。通過WGBS分析G1-G10的差異甲基化位點（DMCs）和差異甲基化區域（DMRs）。
結果圖形：
圖1：研究的實驗設計與跨代差異甲基化位點（DMC）分析：
A. 實驗設計：從單一祖先植物收獲種子，并在MS培養基上發芽。將10天大的幼苗移植到土壤中。在blotting開始時，從五株標記的植物（由五株不同顏色的幼苗表示）收集蓮座葉（rosette leaf），并將其匯總為G1樣本。鹽處理組和對照組（CK）分別從G1代衍生出五條獨立系。鹽處理組在每一代持續用75 mM NaCl溶液灌溉。CK組用0 mM NaCl水灌溉。G10（無鹽）和鹽處理-G10樣本是在blotting開始時從鹽處理組和CK組的五條獨立系的第十代收集的蓮座葉。
B. 在正常生長條件下，鑒定出的G1與后代（G10）之間跨代DMCs數量。
C. 每個基因型的CG表觀遺傳突變率。
D. 每個基因型中跨代高甲基化差異位點hyper-DMCs百分比。
E. 不位于ros1 G1高甲基化差異區域（hyper DMRs）中的跨代甲基化差異位點DMCs（高甲基化、低甲基化和結合）的比例。
B. 跨代表觀遺傳CG-DMCs在基因和轉座元件（TEs）上的分布。
B. Col-0和ros1中高甲基化跨代表觀遺傳CG-DMRs百分比。
C. Col-0和ros1中跨代表觀遺傳CG-DMRs DNA甲基化模式熱圖。
圖4：在正常生長條件下植物跨代表觀遺傳CG-DMRs表征
A. 基于基因組特征對跨代表觀遺傳CG-DMRs進行注釋。
B. Col-0和ros1中跨代表觀遺傳CG-DMRs與隨機選擇區域的GC含量比率。每個基因型的五個CG-DMRs合并分析。隨機選擇區域與合并的CG-DMRs具有相同的長度分布。
C. Col-0和ros1中跨代表觀遺傳CG-DMRs中G和C的比例。使用隨機選擇的區域作為對照。所使用的區域是CG-DMR中點周圍±2kb側翼區域。
參考文獻：
Tang K, Zhu X, Xie S, Lang Z, Zhu JK. Transgenerational increases in DNA methylation in Arabidopsis plants defective in active DNA demethylation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 May 28;121(22):e2320468121. doi: 10.1073/pnas.2320468121. PubMed PMID: 38768356.
2024年5月20日，南方科技大學朱健康院士團隊在《PNAS》 (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)雜志上發表題為“Transgenerational increases in DNA methylation in Arabidopsis plants defective in active DNA demethylation”的研究成果，該研究以模式生物擬南芥為研究對象，通過WGBS等分析揭示了DNA去甲基化酶ROS1突變導致基因組水平上DNA甲基化水平逐代升高。研究表明了ROS1在阻止隨機形成的DNA甲基化的跨代遺傳、維持表觀基因組穩定中發揮重要監控功能。本研究對理解基因組DNA甲基化的進化以及生存環境如何通過表觀遺傳影響后代具有重要意義。
標題：Transgenerational increases in DNA methylation in Arabidopsis plants defective in active DNA demethylation（在主動DNA去甲基化缺陷的擬南芥植物中，DNA甲基化的跨代增加）
影響因子：IF 9.4 /Q1
技術平臺：WGBS
研究摘要：
本研究分析了從單粒種子后代連續繁殖10代（G1-G10）的野生型和ros1突變體擬南芥植物在正常和鹽脅迫兩種生長條件下主動發生的DNA甲基化跨代變化。分析結果揭示了主動DNA去甲基化功能缺失的ros1突變體顯示出增加的跨代表觀遺傳突變率。與野生型相比，ros1突變體在個別胞嘧啶上獲得的甲基化比丟失的甲基化要多，而野生型則在主動獲得和丟失的甲基化胞嘧啶數量上相似。同樣的，跨代表觀遺傳差異甲基化區域在ros1突變體中也表現出高甲基化。本研究結果揭示了ROS1 DNA去甲基化酶對跨代表觀遺傳穩定性的遺傳貢獻，并表明ROS1可能具有防止跨代DNA甲基化增加的意外監控功能。
研究方法：
樣本選擇：Col-0 野生型和 ros1 突變體，正常和鹽脅迫條件下從單粒擬南芥種子連續繁殖10代（G1-G10），每一代創建5個獨立株系。通過WGBS分析G1-G10的差異甲基化位點（DMCs）和差異甲基化區域（DMRs）。
結果圖形：
圖1：研究的實驗設計與跨代差異甲基化位點（DMC）分析：
B. 在正常生長條件下，鑒定出的G1與后代（G10）之間跨代DMCs數量。
C. 每個基因型的CG表觀遺傳突變率。
D. 每個基因型中跨代高甲基化差異位點hyper-DMCs百分比。
E. 不位于ros1 G1高甲基化差異區域（hyper DMRs）中的跨代甲基化差異位點DMCs（高甲基化、低甲基化和結合）的比例。
圖2：在正常生長條件下植物跨代CG-DMCs表征
A. 基于基因組特征對跨代表觀遺傳CG-DMCs進行注釋。B. 跨代表觀遺傳CG-DMCs在基因和轉座元件（TEs）上的分布。
圖3：跨代表觀遺傳CG-DMRs的統計數據和熱圖：
A. Col-0和ros1中跨代表觀遺傳CG-DMRs數量。B. Col-0和ros1中高甲基化跨代表觀遺傳CG-DMRs百分比。
C. Col-0和ros1中跨代表觀遺傳CG-DMRs DNA甲基化模式熱圖。
圖4：在正常生長條件下植物跨代表觀遺傳CG-DMRs表征
B. Col-0和ros1中跨代表觀遺傳CG-DMRs與隨機選擇區域的GC含量比率。每個基因型的五個CG-DMRs合并分析。隨機選擇區域與合并的CG-DMRs具有相同的長度分布。
C. Col-0和ros1中跨代表觀遺傳CG-DMRs中G和C的比例。使用隨機選擇的區域作為對照。所使用的區域是CG-DMR中點周圍±2kb側翼區域。
圖5：在正常生長條件下，Col-0和ros1中跨代表觀遺傳CG-DMR周圍不同組蛋白修飾信號分布。
參考文獻：
Tang K, Zhu X, Xie S, Lang Z, Zhu JK. Transgenerational increases in DNA methylation in Arabidopsis plants defective in active DNA demethylation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 May 28;121(22):e2320468121. doi: 10.1073/pnas.2320468121. PubMed PMID: 38768356.
標簽：
DNA甲基化
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